ICP-MS法测定药食同源性食物中的重金属及有害元素

庞小莲,陈婷婷,刘 兰

(1.玉林市食品药品检验检测中心,广西玉林 537000; 2.湖南省食品质量监督检验研究院,湖南长沙 410111)

药食同源是指许多食物同时也是中药,食物与中药同时起源又没有绝对的分界线,在食养、食疗和药膳方面,应用非常广泛和全面。在我国教育体系里面,对药食同源的应用方面也很重视,越来越受到关注[1]。药食同源食物在养生和临床饮食调护方面应用广泛,具有袪暑、润秋燥和抗衰老等功效,同时药食膳在降血糖和心脏疾病方面也有一定应用[2-7]。其中山药、茯苓、百合、红枣、枸杞等以其特有的营养成分和功效深受大众欢迎[8-10]。药食同源食物和药食膳疗已成为中华民族文化的瑰宝[11]。

药食同源食物的重金属及有害元素污染来源主要是在种植、加工、运输、储存过程中带入的,其中在种植环节受污染较多,主要来自于其生长的土壤和水体的污染。目前对药食同源性食物的重金属及有害元素的测定标准和测定研究方法报道较少,《中国药典》2015版一部只对枸杞、黄芪等少数药食同源性食物作为药材时的重金属及有害元素的测定方法和限量标准[12]。对重金属及有害元素的测定分析前处理方法,由传统的人工加酸湿法及干法消解,发展到今天的自动微波消解。测定分析的仪器和标准方法主要有:石墨炉原子吸收法测定铅、镉、铬等元素[16-17];火焰原子吸收法测定锌和铜[12];原子荧光光度法测定总砷和汞等[18-19]。这些方法单次只能测定单个元素。而ICP-MS法,经过一次消解后可以同时对多个元素进行分析测定,并且具有高灵敏度,低检出限,宽线性范围,高效率等优点,受到广大重金属分析者的关注[20-21]。

本实验收集了17种73批次常见、消费较多的药食同源性食物,采用微波消解前处理和ICP-MS分析测定法,同时测定了铅、镉、砷、汞、铜5种重金属及有害元素的残留量,为进一步提高药食同源性食物的质量,保证其食用安全提供了测定方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山楂1～3号、枸杞子1～3号、黑枣1～3号、百合1～3号、莲子1～3号、薏苡仁1～3号、赤小豆1～5号、龙眼肉1～3号、核桃仁1～3号、茯苓1～11号、葛根1～8号、粉葛1～2号、淮山1～10号、黄芪1～3号、麦冬1～3号、罗汉果1～4号、胎菊1～3号样品 收集于玉林众康、百源堂、至真和大润发等药店及超市,产地为湖南、广西、甘肃、宁夏、新疆、云南、贵州、四川、河南、安徽、浙江等省份;硝酸、过氧化氢 均为优级纯,国药集团化学试剂有限公司;实验用水均为超纯水 由玉林食品药品检验所纯水系统制得,并通过超纯水机过滤,电阻率均达到18.2 MΩ·cm(25 ℃);调谐液:Ge、Co、Li、Mg、Tl、Y浓度1 μg/L,内标为含Bi、Ge、In、Li(6)、Lu、Rh、Sc、Tb的混合内标液 浓度100 mg/L,Hg标准物质溶液(10 μg/mL),安捷伦科技有限公司;Pb、Cd标准物质溶液(100 μg/mL)、Cu、As标准物质溶液(1000 μg/mL) 中国计量科学研究院;Au标准物质溶液 浓度1000 μg/mL,国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

AK-400A中药粉碎机 温岭市奥力中药机械有限公司;AE-200电子分析天平 梅特勒托利多仪器有限公司;ETHOS One微波消解仪 意大利麦尔斯通公司;VB24 Plus智能样品处理器 莱伯泰科有限公司;ICP-MS 7700x 电感耦合等离子体质谱 安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理 样品经过四分法后,挑取对角两份置于中药粉碎机中粉碎,过筛,备用。精密称取粉碎均匀样品约0.5 g于消解罐内,加5.0 mL硝酸80 ℃预消解30 min,待冷却后,再加入2.0 mL硝酸、1.0 mL过氧化氢,用滤纸擦干净罐口边缘的液滴,盖好罐盖,放入微波消解仪内按升温条件(表1)进行微波消解。空白实验除不加试样外,其他操作均同样品处理。消解完并且冷却后,轻缓打开消解罐,用超纯水清洗盖子,于120 ℃脱气3 h,将罐内的消解液转移入刻度离心管用超纯水清洗消解罐3次,确保转移完全,并定容至25 mL刻度,摇匀后备用。

表1 微波消解升温条件Table 1 Microwave digestion and heating conditions

1.2.2 标准溶液配制 分别精密吸取Cu 0.2 mL、As 0.01 mL、其它标准品0.1 mL到10 mL容量瓶中,用含2 μg/mL Au标准溶液的2%的硝酸溶液稀释至刻度,得到Cu、As、Pb、Cd、Hg分别为20.0、1.0、1.0、1.0、0.1 μg/mL的混合标准溶液。再分别精密吸取0.05、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mL混合标准溶液到25 mL的容量瓶中,用2%的硝酸溶液稀释至刻度。得到Cu浓度分别为40、80、160、240、320、400 ng/mL;As、Pb、Cd浓度分别为2、4、8、12、16、20 ng/mL;Hg的浓度为0.2、0.4、0.8、1.2、1.6、2 ng/mL的系列混合标准工作液。精密吸取0.1 mL混合内标液到100 mL容量瓶中,用2%硝酸稀释到刻度即得,得到浓度为100 ng/mL的Bi、Ge、In等混合内标液。

1.2.3 仪器测定条件 ICP-MS同时测定五种元素时调谐模式为氦模式;质量轴:Li(7)、Y(89)、Tl(205);等离子气流量:15.0 L/min;蠕动泵0.1 r/s;雾化室温度:2 ℃;辅助气流量:0.8 L/min;氦气流量:4.3 mL/min;载气流量:0.8 L/min;数据采集模式:跳峰;进样方式:自动;重复次数:3次;扫描次数:100次。其中各元素的内标选择与其质量数接近的稀有元素做为内标物,具体见表2。因为仪器内标进样管的管路小,速度慢,进样体积少,所以内标的加入方式为蠕动泵在线连续加入浓度为100 ng/mL的内标混合液方式,以保证每次进样的量的稳定性。

表2 5种元素质量数及积分时间Table 2 Mass and integration time of 5 elements

1.2.4 方法学考察

1.2.4.1 标准曲线绘制 在1.2.2中配制的混合标准系列溶液,按照1.2.3仪器条件进行测量,分别以各元素浓度为横坐标,分别选择合适的内标,各元素的质谱信号与内标元素的质谱信号的强度比为纵坐标,内标法定量,绘制标准曲线。

1.2.4.2 重复性和回收实验 分别精密称取枸杞子3号样的6份平行样品进行重复性实验;分别精密称取枸杞子3号样的6份平行样品,两两平行,取样后,分别加入混合标准溶液0.1、0.3、0.4 mL做三个水平浓度的回收实验。按照1.2.1样品前处理进行处理,依据1.2.3仪器方法进行样品中Cu、As、Pb、Cd、Hg 5种元素的定性定量测定,数据进行分析。

1.2.4.3 精密性 取Cu浓度160 ng/mL、As、Pb、Cd的浓度为8 ng/mL,Hg的浓度为0.8 ng/mL的混合标准工作液,连续按照1.2.3仪器方法进行样品中Cu、As、Pb、Cd、Hg 5种元素的定性定量测定,数据进行分析。

1.2.4.4 检出限 取空白试验溶液,按照1.2.3仪器条件进行Cu、As、Pb、Cd、Hg 5种元素的定性定量的11次测定,得到响应值的标准偏差为D.L,为仪器检出限;以仪器检出限D.L与样品实验时的稀释倍数的乘积,再除以样品的取样量,则得到实验的方法检出限。

1.2.5 样品测定 样品测定实验,主要是按1.2.1对样品进行取样、消解、稀释等前处理,再按照1.2.3的仪器条件,待仪器稳定后,按照先测定11次空白溶液,再测定不同浓度的标准溶液,最后再按样品类别编号顺序测定样品溶液。每测定10批次的样品,测定一次标准曲线的第3个浓度的混合对照品溶液来监测仪器的状态,绘制各个元素的标准曲线,并以标准曲线定量各样品溶液的浓度,根据取样量和稀释倍数计算样品中各个重金属的含量。

1.3 数据处理

采用Excel 2010软件对实验结果数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 标准曲线方程、相关性及线性范围

混合系列标准溶液,经过仪器ICP-MS分析,以混合标准浓度为横坐标(X),响应为纵坐标(Y),由仪器分析软件分析得到标准工作曲线。标准工作曲线显示五种元素浓度Cu在40～400 ng/mL,As、Pb、Cd在2～20 ng/mL,Hg在0.2～2 ng/mL范围内,标准曲线的线性关系良好,线性范围相关系数均在0.9953以上;其中Cu、Pb的检出限为0.01 mg/kg,As、Cd为0.002 mg/kg,Hg为0.0001 mg/kg,具体线性回归方程、相关系数及方法的检出限(见表3)。由结果显示的宽线性范围及良好线性关系,以及低检出限完全可以满足药食同源性食品中5种重金属元素的同时测定。

表3 标准曲线方程、相关系数、线性范围及检出限Table 3 Standard curves of regression equation,correlation coefficient,linearity ranges and detection limit

2.2 重复性

由重复性实验仪器分析结果显示,所选取的样品测定结果显示测得Cu、As、Pb、Cd、Hg的平均含量分别为5.120、0.030、0.050、0.048 mg/kg、未检出;各个元素6次响应的RSD分别为4.02%、3.28%、5.31%、3.19%、0%。结果显示,实验重复性良好符合重金属元素测定要求。

2.3 精密性

对标准工作溶液的第3个点连续进样6次,测定后数据进行分析,各元素的配制浓度和测得浓度及相对标准偏差见表4,相对标准偏差均小于3.51%,数据分析表明仪器精密性良好,可以满足实验使用。

表4 精密性及相对标准偏差Table 4 Precision and relative standard deviation

2.4 回收率

平均回收率结果和相对平均偏差分别见表5～表9。经过计算Cu、As、Pb、Cd、Hg 5种元素的测定,其中Cu的回收率为82.25%～98.42%、As的回收率为93.36%～115.13%、Cd的回收率为83.33%～99.40%、Hg的回收率为91.62%～109.04%、Pb的回收率为85.90%～102.25%。回收率和相对平均偏差结果显示此方法回收率符合5种重金属元素的测定要求。

表5 Cu单元素回收率Table 5 Cu single element recovery

表6 As单元素回收率Table 6 As single element recovery

表7 Cd单元素回收率Table 7 Cd single element recovery

表8 Hg单元素回收率Table 8 Hg single element recovery

表9 Pb单元素回收率Table 9 Pb single element recovery

2.5 样品测定结果

通过使用ICP-MS方法对17类73批次的药食同源性食物中的5种重金属及有毒元素的测定,结果见表10,空白实验中5种元素均为未检出,各个样品的结果均为仪器软件自动扣除空白实验结果后再根据取样量和稀释倍数计算的结果。参照《中国药典》2015版一部中对山楂、枸杞子、黄芪等少数药食同源性食物的重金属及有害元素的限量[12]规定进行判定。Cd的检出为67批次,超标4批次,其中麦冬1批、百合3批,除此4批次外,本次试验中测定的其它药食同源性食物的 5种重金属均符合要求。统计结果:未检出率项次为14.79%;检出率项次为85.21%;样品项次合格率为98.90%,批次合格率为94.52%。

表10 样品中五种元素测定结果Table 10 Determination of five elements in samples

续表

续表

测定结果显示,大部分药食同源性食物的重金属及有毒元素含量是合格的,但是也有少数批次中的镉含量是超标的,其中以百合尤为突出,是否为土壤污染、加工、运输环节或者是百合自身某成分对镉测定时的响应有干扰,或者是百合具有对重金属元素镉的富集作用,有待进一步研究分析。

结果同时显示,根类品种比果实类品种重金属及有毒元素的含量明显要高,可能与根对营养等吸收快,与果实和种子相比离土壤近,生长周期相对时间长有一定的关系。

3 结论

采用ICP-MS方法测定药食同源性食物的多种重金属及有毒元素含量,标准工作曲线线性的相关性良好:相关系数均在0.9953以上,线性范围宽:所测定样品溶液基本不需要二次稀释,重复性好:重复性实验测定结果相对标准偏差均小于5.31%、精密性良好:相对标准偏差均小于3.51%,可以同时对多元素进行分析测定,且具有检出限低、灵敏度高、准确性好,省时和高通量,可以同时测定5种元素甚至也可以更多种元素等优点,适合食品药品大批量样品中多元素的同时测定。在本实验中测定的17类73种药食同源性食物的重金属测定结果显示,参照中药材的标准要求,合格率高,不合格元素及样品品种比较集中。

目前鉴于药食同源性食物分类和用途的双重性,标准也会不一样,对于其重金属及有毒元素,还没有明确的测定标准和评价依据,对直接食用的药食同源性食物及其开发和加工成的各类副产品的质量控制及风险评估有待加强、引起重视。